Классификация ВВ по химическому составу и краткие сведения по технологии изготовления промышленных ВВ

ВВ можно классифицировать по различным признакам:

- по принадлежности к определенному классу химических соединений (нитроэфиры, нитросоединения, нитроамины, перхлоратные ВВ и т. п.),

- по устойчивости горения,

- по условиям применения и т. д.

Так, по скорости протекания реакции ВВ могут быть разделены на:

- инициирующие (или первичные),

- бризантные (или вторичные),

- метательные (пороха)

- пиротехнические составы.

Особенностью инициирующих ВВ является их высокая чувствительность к внешним воздействиям. Поэтому инициирующие ВВ широко используют в различных средствах взрывания. Небольшое количество инициирующего ВВ поджигают при помощи огнепроводного шнура (в капсюлях-детонаторах) или электровоспламенителя (в электродетонаторах), горение его быстро переходит в детонацию, которая возбуждает взрыв вторичного ВВ.

Горение вторичных ВВ обычно устойчиво и переход в детонацию возможен лишь при некоторых условиях, поэтому детонацию вторичных ВВ вызывают не поджиганием, а используют для этого средства взрывания (электродетонаторы , детонирующий шнур и т. п.).

Горение метательных ВВ и пиротехнических составов весьма устойчиво и не переходит в детонацию даже в условиях, при которых этот переход имеет место для вторичных ВВ.

По составу ВВ обычно подразделяют на:

- индивидуальные химические соединения

- смесевые ВВ, представляющие механические смеси нескольких компонентов.

К индивидуальным взрывчатым химическим соединениям относятся такие ВВ, как тротил, тетрил, гексоген, нитроглицерин, азид свинца, тэн и др.

К смесевым принадлежит большинство промышленных ВВ: аммониты, динамиты, гранулиты, водонаполненные ВВ и др.

Рассмотрим основные группы индивидуальных и смесевых ВВ, имеющих применение в настоящее время в горнодобывающей промышленности нашей страны.

Нитросоединения. Большое количество взрывчатых химических соединений относится к группе нитросоединений, представляющих органические вещества, в молекуле которых имеется нитрогруппа NO₂, связанная непосредственно с углеродом. К нитросоединениям относятся такие ВВ, как тротил, тетрил, динитронафталин, пикриновая кислота и др. Различают нитросоединения бензольного (ароматического) и парафинового рядов.

Нитросоединения ароматического ряда отличаются высокой химической стойкостью, они неспособны к самопроизвольному разложению и самовозгоранию и почти не меняют своих химических и физических свойств при длительном хранении.

Число нитрогрупп, имеющихся в молекуле, их положение могут быть различными, в соответствии с этим изменяются химические, физические и взрывчатые свойства нитросоединений.

При увеличении числа нитрогрупп в молекулах нитросоединений повышается их температура плавления и увеличивается скорость детонации и работоспособность. Наибольшее распространение во взрывном деле находят тринитросоединения ароматического ряда, т. е. такие, у которых бензольное кольцо связано с тремя нитрогруппами. Характерным представителем таких веществ является тринитротолуол (тол) или тротил.

Тротил C₆H₂(NO₂)₃CH₃ представляет собой твердое белое (быстро желтеющее на свету) вещество, имеющее температуру плавления 80,2°. Плотность тротила 1,663 г/см³. Тротил практически нерастворим в воде, но хорошо растворяется в органических растворителях.

Детонационная способность тротила зависит от его физического состояния, дисперсности и плотности: с увеличением размера частиц критический диаметр детонации его увеличивается, с увеличением же плотности — уменьшается.

Скорость детонации тротила при плотности 1,6 г/см³ равна 6800 м/с. Критический диаметр детонации сухого гранулированного тротила в открытых зарядах около 60 мм, а водонаполненного — 25-30 мм.

В зависимости от плотности и условий взрывания тротила, теплота взрыва его колеблется от 800 до 1000 ккал/кг. Работоспособность его в свинцовой бомбе сравнительно невелика — 295 см², что объясняется наличием в продуктах взрыва твердого углерода (сажи), так как тротил имеет отрицательный кислородный баланс (-74%).

Для повышения энергии взрыва и работоспособности в тротил иногда вводят алюминиевый порошок. Опыт показал, что оптимальное количество алюминия составляет 15—20% и поэтому выпускаемый нашей промышленностью алюмотол содержит 15% алюминия.

Нитроамины.Органические вещества, в молекуле которых имеется нитрогруппа, связанная с атомом азота, называются нитроаминами. Многие из нитроаминов являются ВВ, например циклотриметилентринитрамин, широко известный под названием гексоген (C₃H₆N₆O₆). До недавнего времени гексоген применяли в основном для снаряжения боеприпасов, но в последнее время его стали использовать как сенсибилизатор в промышленных ВВ, в качестве вторичного заряда в электродетонаторах и для снаряжения детонирующего шнура.

Гексоген представляет собой белый кристаллический порошок с температурой плавления +203,5° С. Плотность его около 1,8 г/см³. Гексоген практически нерастворим в воде и плохо растворяется в органических растворителях. Химическая стойкость гексогена высокая; разложение его начинается лишь при температуре +200° С.

Гексоген обладает высокой чувствительностью к механическим воздействиям (чувствительность к удару 70-90%) и поэтому его часто используют во флегматизированном виде.

Работоспособность гексогена в свинцовой бомбе 475 см³, теплота взрыва около 1300 ккал/кг. Гексоген имеет малый критический диаметр (1-2 мм) и детонирует с высокой скоростью (при плотности 1,7 г/см³ она равна 8,6 км/с).

Другим представителем класса нитроаминов является тетрил [C₆H₂(NO₂)₄NCH)₃], это кристаллы желтого, или светло-желтого цвета. Температура плавления тетрила около +129С°, при плавлении разлагается. Теплота взрыва тетрила - 1090 ккал/кг, работоспособность - 340 см³.

Тетрил применяют в прессованном виде в основном для снаряжения капсюлей-детонаторов. Иногда прессованные шашки его используют в качестве промежуточных детонаторов для инициирования скважинных зарядов гранулированных и водонаполненных ВВ.

Нитроэфиры.Нитроглицерин является представителем большой группы ВВ, которые по своему химическому строению относятся к эфирам азотной кислоты. Название нитроглицерин — неправильно, таккак это соединение не содержит нитрогрупп, связанных непосредственно с углеродом, но оно общепринято и сохранилось в технике. В действительности это соединение представляет собой глицеринтринитрат и является полным эфиром глицерина и азотной кислоты.

Сложные эфиры азотной кислоты (нитроэфиры) в недалеком прошлом имели большое военное и промышленное значения. Особенно широко использовали азотнокислые эфиры глицерина и целлюлозы — нитроглицерин и пироксилин, которые и в настоящее время применяют при производстве порохов. В производстве промышленных ВВ эти вещества, а также нитрогликоль, диэтиленгликольдинитрат и тэн находят ограниченное применение и используются главным образом для производства детонитов и предохранительных ВВ (V и VI класса).

Наличие в молекуле нитроэфиров нитратной группы (ONO₂) приводит к тому, что они по своим свойствам резко отличаются от других ВВ. Это отличие выражается прежде всего в ограниченной химической стойкости нитроэфиров и их высокой чувствительности к механическим и тепловым воздействиям. Поэтому обращение с этими ВВ требуют особого внимания и осторожности.

Нитроглицерин получают обработкой специального (очень чистого) глицериеа смесью азотной и серной кислот по реакции:

C₃H₅(OH)₃ + 3HNO₃ = C₃H₅(ONO₂)₃ + 3H2O

Нитроглицерин в чистом виде представляет собой маслянистую бесцветную и прозрачную жидкость плотностью около 1,6 г/см'. Нитроглицерин плохо растворяется в воде и хорошо растворяется в большинстве органических растворителей. Температура вспышки нитроглицерина примерно равна +180—200° С.

Нитроглицерин имеет небольшой положительный кислородный баланс (+3,5 %) и является одним из наиболее мощных ВВ. Теплота взрыва нитроглицерина 1480 ккал/кг; при взрывании в свинцовой бомбе он дает расширение 550 см³.

Для нитроглицерина и некоторых ВВ на его основе характерно наличие двух скоростей детонации: малой (1100—2000 м/с) и большой (8000—8500 м/с). Однако вследствие очень высокой чувствительности нитроглицерина (детонация его вызывается падением груза массы 2 кг с высоты всего 4 см) его нельзя использовать для взрывных работ в чистом виде. Поэтому нитроглицерин обычно вводят во взрывчатые смеси в качестве сенсибилизатора.

Так как замерзший нитроглицерин (температура замерзания его +13° С) чрезвычайно чувствителен к механическим воздействиям, в качестве сенсибилизатора используют не чистый нитроглицерин, а смесь жидких нитроэфиров, например нитроглицерин и диэтиленгликольдинитрат.

Из других нитроэфиров в настоящее время находит применение тэн (пентаэритриттетранитрат) С(CH₂ONO₂)₄. Это белое кристалли­ческое вещество плотностью 1,728 г/см³ с температурой плавления 141° С.

В отличие от жидких нитроэфиров, тэн — химически стойкое вещество, не требующее постоянного контроля за стойкостью при хранении. Температура вспышки тэна 205° С. Он имеет высокую чувствительность к удару и поэтому чаще всего его выпускают флегматизированным.

Тэн является мощным ВВ, теплота взрыва 1360 ккал/кг, работо­способность по пробе Трауцля 500 см³, скорость детонации тэна при плотности 1 г/см³ равна 5,55 км/с, а при плотности 1,62 г/см³— 8,0 км/с. Применяют тэн главным образом при изготовлении детони­рующего шнура, а также при изготовлении промежуточных детона­торов.

Аммониты.Аммонитами называют аммиачно-селитренные ВВ, представляющие смеси аммиачной селитры с нитросоединениями, главным образом с тротилом. Аммониты получают путем механического смешения аммиачной селитры с тротилом и другими компонентами в шаровых мельницах.

Несмотря на отмеченные недостатки, аммониты одно время являлись основным видом промышленных ВВ в нашей стране, так как они обладали достаточной мощностью, были недороги и относительно малочувствительны к механическим воздействиям. Благодаря этим достоинствам аммониты не утратили значения и в настоящее время. Однако область применения их теперь ограничена подземными разра­ботками, так как на открытых работах их используют сейчас в основном в качестве промежуточных детонаторов и для вторичного дробления негабаритных кусков породы.

Чтобы знать, в каких условиях можно применять тот или иной аммонит (так же как и любое другое ВВ),их патронируют в бумажные оболочки различного цвета или в белые оболочки с отличительной цветной диагональной полосой. Так, взрывчатые вещества, допущенные для применения только на открытых работах имеют белую оболочку (или белую диагональную полосу); патроны ВВ, предназначенные к применению в подземных разработках, кроме шахт, опасных по газу или пыли, окрашивают в красный цвет; ВВ, допущенные к взрывным работам в шахтах, опасных только по газу, имеют синюю оболочку, а ВВ, разрешенные к применению по углю в шахтах, опасных по газу или пыли, желтую.

В зависимости от условий применения аммониты значительно различаются как по составу, так и по свойствам.

Характерной особенностью аммонитов, как и большинства смесевых ВВ является то, что при повышении плотности критический диаметр детонации их увеличивается. Поскольку диаметр патронов ограничен (обычно 31 ± 1 мм), при некоторой, характерной для каждого вида аммонита плотности критический диаметр соизмерим с диаметром патрона и он не детонирует. Эта плотность называется критической плотностью и для большинства аммонитов составляет 1,3— 1,4 г/см³. Повысить критическую плотность можно введением в состав аммонита более мощных, чем тротил, сенсибилизаторов, таких, как гексоген. Так, содержащий гексоген скальный аммонит № 1 имеет критическую плотность около 1,5 г/см³, что позволяет применять его в спрессованных до плотности 1,45 г/см³ зарядах. Прессование ВВ увеличивает объемную энергию заряда и повышает эффективность взрыва. С этой же целью во взрывчатые составы входят порошкообразный алюминий, повышающий теплоту взрыва ВВ.

Нитроглицериновые ВВ:

- динамиты

- порошкообразные нитроглицериновые ВВ.

Характерным свойством динамитов является высокая плотность (1,4—1,5 г/см³) и пластичность, что обусловлено высоким содержанием в их составе желатинированного нитроглицерина(от 15 до 90%)

Динамиты обладают высокой работоспособностью и водоустойчивостью.

Недостатками динамитов являются: высокая чувствительность к механическим воздействиям и сильное влияние температуры на их взрывчатые характеристики. Поэтому в настоящее время в нашей стране динамиты почти не применяют.

Группа порошкообразных нитроглицериновых ВВ представлена в нашей стране детонитами и предохранительными нитроглицериновыми ВВ (победит ВП-4, серный и нефтяной аммониты и углениты).

Детонитами называют аммиачно-селитренные ВВ, сенсибилизированные нитроэфирами и предназначенные для взрывных работ в шахтах, не опасных по газу и пыли.

Сенсибилизация ВВ жидкими нитроэфирами особенно важна для предохранительных ВВ, имеющих ограниченную теплоту взрыва и пониженную детонационную способность

Победит ВП-4 является мощным предохранительным ВВ, предна­значенным к применению в породных забоях шахт, опасных по метану.

Угленит Э-6 и селектит № 1 относятся к ВВ повышенной предохранительности (V класс) и используются при короткозамедленном взрывании в угольных и смешанных тупиковых забоях. Угленит № 7 является селективно детонирующим высокопредохранительным ВВ (VI класс).

Серный и нефтяной аммониты предназначены к применению в шахтах, опасных соответственно по серной пыли и бензиновым парам.

ВВ простейшего состава.

К ВВ простейшего состава относятся механические смеси аммиачной селитры с горючими невзрывчатыми добавками. В настоящее время различают три группы ВВ простейшего состава:

- динамоны,

- гранулиты

- смеси гранулированной аммиачной селитры (АС) с жидкими нефтепродуктами (обычно с дизельным топливом ДТ). Последние составы в нашей стране широко известны какигданит, за рубежом как смеси АС-ДТ.

Динамонами называют механические смеси мелкодисперсной аммиачной селитры с горючими невзрывчатыми добавками, причем для динамонов характерно использование твердых горючих веществ, таких, как древесная мука, торф, лигнин, древесный уголь, парафин, алюминиевый порошок и т. п.

Наряду с игданитами, изготовляемыми на местах их применения, нашей промышленностью выпускаются аналогичные составы заводского изготовления — гранулиты, которые предназначены для взрывных работ на открытых и подземных разработках по породам различной крепости.

Гранулит-М представляет собой смесь пористой гранулированной селитры и минерального масла.

Гранулит С-2 изготовляют на обычной непористой гранулированной селитре марки Б, которая смешана с минеральным маслом и мелкодисперсной пористой древесной мукой.

Наиболее распространенные гранулиты АС-4 и АС-8 представляют собой однородные по внешнему виду гранулированные ВВ серебристо-серого цвета. Изготовляют их из гранулированной аммиачной селитры, покрытой пленкой минерального масла и опудренной мелкодисперсным алюминием.

Благодаря опудривающим добавкам гранулиты отличаются малой слеживаемостью и хорошей сыпучестью.

Все гранулиты и игданит устойчиво детонируют при применении промежуточного детонатора, представляющего собой шашку прессованного тротила или тетрила массой 150—200 г или патрон аммонита. массой 200—400 г.

Существенным недостатком всех гранулитов является их неводо­устойчивость.

Зерногранулиты и граммоналы. Для взрывных работ на открытых разработках в настоящее время широко используют гранулированные ВВ — зерногранулиты 30/70, 30/70-В и 50/50-В, а также граммонал А-45.

Зерногранулитами называют грубодисперсные аммониты, изготовленные путем механического смешения гранулированной ам­миачной селитры и гранулированного тротила (гранулотола). Примером такого типа составов является зерногранулит 30/70, содержащий 30% аммиачной селитры и 70% тротила.

Для взрывных работ в подземных условиях применяют зерногранулит 79/21 (горячего смешения) и граммонал А-8, предназначенные для беспатронного механизированного заряжания мокрых и обводненных (с непроточной водой) шпуров.

Зерногранулиты отличаются от гранулитов лучшей детонационной способностью и водоустойчивостью.

Водонаполненные ВВ. В последние годы на основе аммиачно-селитренных ВВ был создан новый класс ВВ, имеющих в своем составе воду, названных поэтому водонаполненными ВВ. Эти ВВ обладают высокой объемной мощностью, хорошей пластичностью, водоустойчивостью и низкой чувствительностью к механическим воздействиям.

Добавление воды к аммиачно-селитренным ВВ снижает коэффициент трения между гранулами, в результате чего происходит уплотнение состава. Кроме того, благодаря хорошей растворимости аммиачной селитры значительное количество ее переходит в раствор, который заполняет пространство между зернами твердых компонентов. В результате плотность взрывчатых составов возрастает до 1,5 г/см³. Соответственно увеличивается и объемная концентрация энергии в заряде, что улучшает эффект взрыва.

Сравнительная оценка водонаполненных и простейших взрывчатых составов показывает, что:

1. Объемная концентрация энергии в шпуре или скважине у водонаполненных ВВ в 1,5—2,5 раза больше, что обеспечивает лучшее использование выбуренного объема;

2. Давление, развиваемое при взрыве водонаполненных ВВ в шпуре или скважине в несколько раз больше, чем при применении игданита и гранулитов;

3. Благодаря более высокому давлению при применении водонаполненных ВВ обеспечивается лучшее дробление породы, снижение выхода негабарита, а в целом — повышение эффективности ведения горных работ;

4. Водонаполненные ВВ обладают высокой водостойкостью, в то время как ВВ простейшего состава — неводостойки.

К группе водонаполненных ВВ, применяемых в настоящее время в нашей стране, относятся акватолы 65/35, М-15 и МГ, акваниты ЗЛ и № 16 и ифзаниты.

В состав акватолов входят аммиачная селитра, тротил, загуститель (обычно натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы — КМЦ) и вода. В акватолы М-15 и МГ, а также в ифзаниты добавляют крупный алюминиевый порошок. Акватолы обычно изготовляют на заводах в виде сухих сыпучих смесей. Операцию водонаполнения чаще всего производят на месте проведения взрывных работ. Содержание воды в акватолах при водонаполнении не должно превышать 13—15%. При меньшем содержании воды масса обладает недостаточной текучестью, а при большем — снижается объемная концентрация энергии и ухудшаются детона­ционные свойства состава.

Помимо заводского изготовления водонаполненные ВВ изготовляют непосредственно на горных предприятиях либо на стационарной установке (при расходном складе взрывчатых материалов), либо в процессе заряжания скважин с помощью смесительно-зарядных установок, оборудованных на автомашинах.

В отличие от акватолов, акваниты не обладают явно выраженной текучестью, так как содержание воды в них не превышает 4—12%. Поэтому акваниты можно снаряжать в бумажные и полиэтиленовые патроны при плотности 1,5—1,6 г/см³.

В последнее время в нашей стране и за рубежом большое внима­ние уделяется изучению и разработке так называемых металлизированных водонаполненных ВВ, состоящих из аммиачной селитры, мелкодисперсного алюминия, воды и загустителя. Эти ВВ не содержат взрывчатых компонентов и поэтому малочувствительны к механическим воздействиям. В то же время они обладают очень высокой объемной концентрацией энергии и могут оказаться весьма эффективными при взрывных работах по крепким породам.

Прочие ВВ.

В ряде стран находят применение перхлоратные ВВ, окислителем в которых являются перхлораты калия, натрия и аммония.

Большинство перхлоратов растворимо в воде и органических растворителях. Перхлораты калия и натрия не обладают взрывчатыми свойствами, а перхлорат аммония является слабым ВВ: работоспособность в свинцовой бомбе составляет 200 см³.

Перхлоратные ВВ, как правило, имеют высокую теплоту взрыва и работоспособность. Однако вследствие высокой стоимости перхлора­тов и большой чувствительности к механическим воздействиям эти ВВ не нашли применения в промышленности.

Одно время в нашей стране применяли оксиликвиты, которые по составу можно было бы отнести к простейшим ВВ. Их готовят пропиткой жидким кислородом измельченных углеродистых поглотителей: древесного угля, торфа, мха-сфагнума и др. Изготовляют оксиликвитные заряды в две стадии. Сначала готовят из углеродистых поглотителей патроны. Перед заряжанием эти патроны пропитывают жидким кислородом в специальных термосах.

Оксиликвиты имеют очень высокую расчетную теплоту взрыва (1600—2300 ккал/кг) однако практический эффект взрыва мало отличается от эффекта, производимого аммиачно-селитренными ВВ. Это объясняется тем, что свойства оксиликвитов непрерывно меняются в связи с быстрым испарением жидкого кислорода и взрывание патронов в основном осуществляется в тот момент, когда оксиликвитные патроны уже имеют значительный отрицательный кислородный баланс. В связи с производством других, более совершенных — безопасных и удобных в обращении промышленных ВВ оксиликвиты в настоящее время утратили свое значение.

Ограниченное применение для взрывных работ находят пороха, однако раньше их достаточно широко использовали в горнодобывающей промышленности многих стран мира.

ЛЕКЦИЯ №5